JP6720295B2 - 電流センサ - Google Patents
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Description
このように複数の磁電変換素子を用いた電流センサでは、被測定電流路の周囲に発生する磁界の向きに合わせて、被測定電流路の周囲に複数の磁電変換素子を配設していた。
特に、電線に後付けする場合、各部品の位置精度を高めるために、各部品を固定すると、電線に取り付ける際に電線が通過する箇所を空間にする必要がある。特に電線同士の間隔が狭い場合、磁電変換素子を取り付ける位置が限られる。
電線に後付けできる電流センサにおいて、各部品が相対的に動かないように固定した上で、外部磁場の影響を受けにくくする構造として、磁電変換素子を2列に配置し、四隅の磁電変換素子の感度が横向きになるように配置し、他の磁電変換素子の感度が縦向きになるように配置することで、前記2列の間隔を広げても、測定精度の悪化を抑制するものがある。当該電流センサでは、2列に配置された磁電変換素子郡の間に、被測定電流路が位置させるように構成されている。
このような電流センサでは、被測定電流路が直線であることを前提に、磁電変換素子は基板の片面にのみ配設されている。
しかしながら、従来の電流センサでは、被測定電流路が直線であることを前提に磁電変換素子が配置されており、屈曲した被測定電流路の電流を測定した場合に、測定精度が低いという問題がある。すなわち、被測定電流路が屈曲する位置によって、測定感度が変化するという問題がある。
この構成によれば、前記被測定電流路が前記第1電流路部分に対して曲げられた前記第2電流路部分を備えているため、前記第2電流路部分が前記第1電流路部分と一直線である場合に比べて、前記電流によって生じる磁気の前記列方向に平行な成分は小さくなる。また、前記第1電流路部分の近傍では、前記第2電流路部分との間の距離が長くなるに従って前記第1電流路部分を流れる電流によって生じる磁気の前記複数の磁電変換素子が配置された列方向の成分は大きくなる。
一方、前記第2電流路部分の周囲では当該第2電流路部分に近づくに従って前記第2電流路部分を流れる電流によって生じる磁気の前記列方向に直角する方向の成分は大きくなる。
好適には、複数の前記第2磁電変換素子が形成する前記列が直線であり、前記列の方向と、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向が平行である。
好適には、前記第1磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第1電流方向と直角であって、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向と直角な方向であり、前記第2磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向である。
好適には、複数の前記第2磁電変換素子が形成する前記列が曲線である。
好適には、前記第1磁電変換素子及び前記第2磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第1電流路部分を流れる電流から発生する誘導磁界の向きである。
好適には、前記第1磁電変換素子が、前記列の端に位置している。
一方、前記第2電流路部分の周囲では当該第2電流路部分に近づくに従って前記第2電流路部分を流れる電流によって生じる磁気の前記列方向に直交する成分は大きくなる。
好適には、前記第1磁電変換素子及び前記第2磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第1電流路部分を流れる電流から発生する誘導磁界の向きである。
また、近隣電流路からの外来磁場の影響を相対的に低減することができる。従って、外来磁場による第1及び第2磁電変換素子への影響が低減されるので、第1及び第2磁電変換素子からの検知値を安定して得ることができる。
また、上述したように、仮想の長方形の長辺と短辺に平行に第1及び第2磁電変換素子の感度軸の方向を規定したことで、第1及び第2磁電変換素子が円周上に等間隔で配設されている場合と比較して、第1及び第2磁電変換素子を基板に実装する際に、容易に実装することができると共に、基板と磁電変換素子との位置関係を容易に設計することができる。従って、被測定電流路の取付け角度や取付け位置等の精度を高めることができるので、測定精度を向上させることができる。
また、上記構成によれば、第1及び第2磁電変換素子は、仮想の長方形の長辺及び短辺方向で位置調整をすればよく、測定精度を高める設計が容易になる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電流センサ101を示す外観図である。図2は図1に示す電流センサ101の分解斜視図である。図3は、図2に示す基板16と第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iのみを表した斜視図である。図4は基板16、磁電変換素子15及び被測定電流路CBの位置関係を説明するための図である。図5は、図2に示す基板16上での第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iの配置を説明するための図1に示すZ2からZ1側に見た図である。図6は図5に示す第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iの感度軸(磁気を感知する方向)を説明するための図である。
また、第1電流路部分CB1の方向に直交する感度軸を持つ第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iを、第2電流路部分CB2と反対側(第2電流路部分CB2から遠い側)の第2面16bに設けている。
これにより、後述するように、被測定電流路CBが直線の場合と屈曲している場合との測定誤差を小さくできる。
ここで、感度軸とは、磁電変換素子が磁気を感知する方向である。 本実施形態では、図2等に示すように、基板16は、切欠17を挟んでY1−Y2方向に延びる2本の腕部161,162を有する。
第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iは、腕部161,162にY1−Y2方向に沿って2列に配置されている。また、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25jは、当該2列の端にそれぞれ設けられている。
第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iは、上記列方向(Y1−Y2方向、腕部161,162が延びる方向)の磁界を検知する。
第1磁電変換素子25a,25e,25f,25jは、上記列と直交するX1−X2方向の磁界を検知する。
筐体11は、合成樹脂材料で形成されている。この筐体11は、上方が開口した箱状のケース31と、ケース31の開口部を塞ぐような板状のカバー41と、から構成され、ケース31内部に、基板16を収納する収納部11sが形成されている。なお、筐体11の材質に合成樹脂材料を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、強磁性体でなければ、金属材料を用いた構成にしても良い。
なお、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g,25h,25iの詳細な配置位置については後述する。
この磁電変換素子15は、GMR素子をシリコン基板上に作製した後、切り出されたチップを熱硬化性の合成樹脂でパッケージングし、信号の取り出しのためのリード端子がGMR素子と電気的に接続されて構成されている。そして、このリード端子により、基板16にはんだ付けがされている。本実施形態では、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g,25h,25iとして同一特性のものを用いる。
図6において、矢印で示されるように、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25jの感度軸はX1−X2方向に平行であり、第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g,25h,25iの感度軸はY1−Y2方向に平行である。つまり、第1電流路部分CB1を電流Iが流れる「第1電流方向」(Z2からZ1に向かう方向)にも、第2電流路部分CB2を電流が流れる「第2電流方向」(Y1からY2に向かう方向)にも直交するX1−X2方向と、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25jの感度軸の向きが平行である。また、第2電流路部分CB2を電流が流れる「第2電流方向」と、第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g,25h,25iの感度軸の向きが平行である。
また、Y1方向から見て切欠17の右側(X1方向側)の基板16には、第1磁電変換素子25f,25j及び第2磁電変換素子25g,25h,25iが配置されている。
また、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25jは仮想的な長方形Lの4個の頂点に配設されている。
第2磁電変換素子25c,25hは、長辺L1と直交し重心PPを通る長辺L2上に配設されている。
第1磁電変換素子25a,25eは、長辺L1,L2と平行で重心PPを通る第1仮想線IL1に対して、第1磁電変換素子25f,25jとそれぞれ線対称に配置されている。
また、第2磁電変換素子25b,25c,25dは、第1仮想線IL1に対して、第2磁電変換素子25g,25h,25iとそれぞれ線対称に配置されている。
第2磁電変換素子25b,25c,25dは、長方形Lの重心PPに対して、それぞれ磁電変換素子25g,25h,25iとそれぞれ点対称に配設されている。
そのため、短辺L3方向(X方向)の距離を短くできる。すなわち、被測定電流路CBと隣接する電流路との距離を狭くできる。
その結果、一般的な磁電変換素子の配置領域と比べて、特に切欠17の形成方向と直交する方向(第2仮想線IL2の延在方向)における第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iの配置領域を狭くすることができ、基板16の小型化、つまり電流センサ201の小型化が可能である。特に、切欠17の左右の腕部161,162の幅が狭くできる。
第1磁電変換素子25a,25fの感度軸は、X1方向を向いており、第1磁電変換素子25e,25jの感度軸は、X2方向を向いている。
第2磁電変換素子25b,25c,25dの感度軸は、Y1方向を向いており、第2磁電変換素子25g,25h,25iの感度軸は、Y2方向を向いている。
すなわち、第1磁電変換素子25a、第2磁電変換素子25b,25c,25d及び第1磁電変換素子25eは、重心PPを中心に点対称位置にある第1磁電変換素子25f,第2磁電変換素子25g,25h,25i及び第1磁電変換素子25jと感度軸の向きが点対称(逆向き)になる。
後段の演算回路では、第1磁電変換素子25a,25e,25f,25j及び第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iの出力を加算することで、被測定電流路CBの磁界に応じた成分を累積して有効化し、隣接する電流路の磁界に応じた成分をキャンセルする。
また、第1電流路部分CB1の方向に直交する感度軸を持つ第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iを、第2電流路部分CB2と反対側(第2電流路部分CB2から遠い側)の第2面16bに設けている。すなわち、磁電変換素子が両面実装されている。
本発明は、国際公開WO2015/122064号公報や、国際公開WO2013/128993公報記載の電流センサと、同一の原理に基づく電流センサである。端に位置する第1磁電変換素子の感度軸の向きと、端以外に位置する第2磁電変換素子の感度軸の向きとが、直交している。電流路を屈曲させた場合、第1磁電変換素子の内、屈曲部分に近い第1磁電変換素子の測定感度が高まる一方で、他の磁電変換素子の測定感度が低下する。つまり、2つの磁電変換素子の感度が高まる一方で、他の磁電変換素子の感度が低下する。この為、本発明では、電流路の屈曲によって、2つの磁電変換素子の感度を大きく高めることで、他の多数の磁電変換素子の感度低下を相殺させている。
これにより、被測定電流路CBが屈曲する位置の違いによる測定感度の変化を小さくできる。
これにより、被測定電流路CBの屈曲する位置が変化しても、測定感度の変化を抑制できる。
この場合は、後段の演算回路では、第1磁電変換素子25a,25e及び第2磁電変換素子25b,25c,25dの出力から、第1磁電変換素子25f,25j及び第2磁電変換素子25g,25h,25iの出力を減算することで、被測定電流路CBの磁界に応じた成分を累積して有効化し、隣接する電流路の磁界に応じた成分をキャンセルする。
これにより、被測定電流路が直線の場合と、被測定電流路CBのように屈曲している場合とでの測定感度の変化を抑制できる。
図7は、上述した電流センサ101の変形例であり、第1磁電変換素子25a,25jを第1面16aに配設し、第1磁電変換素子25e,25f及び全ての第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iを第2面16bに配設した電流センサ201である。
図8に示すように、磁界検知感度は、図7に示す電流センサ201が最も変化が小さく(G1)、図2〜図6に示す電流センサ101が2番目に変化が小さい(G2)。また、図8に示すように、磁界検知感度は、全ての磁電変換素子を第2面16bに配設した場合が3番目であり(G3)、全ての磁電変換素子を第1面16aに配設した場合が最も感度の変化が大きい(G4)。
また、他の変形例において、電流センサ101は、図9に示すように、第2の磁電変換素子25b〜25dを第1電流路部分CB1の重心PPを中心とする円周上に配置する。同様に第2の磁電変換素子25g〜25iを同じ円周上に配置する。また、第1の磁電変換素子25a,25e、25f、25jも同じ円周上に配置する。この場合、第2の磁電変換素子25b〜25dは、円周に沿って、電流路CBを囲むように2列に配置され、第1の磁電変換素子25a,25e、25f、25jは、列の端に位置する。つまり、磁電変換素子25a〜25jが配置される列は、直線に限らず、曲線でも良い。
電流路CBが、扁平な形状の場合、電流路CBを流れる電流が発生する誘導磁界は、楕円形となる。この場合、電流センサ101は、図10に示すように、第2の磁電変換素子25b〜25dを誘導磁界に沿った楕円上に配置する。同様に第2の磁電変換素子25g〜25iを同じ楕円上に配置する。第1の磁電変換素子25a,25e、25f、25jは、第2電流方向において、第2磁電変換素子より外側であれば、楕円上以外の場所でも構わない。但し、第1磁電変換素子25aと25jは、第1仮想線IL1と線対称である。同様に、第1磁電変換素子25eと25fは、第1仮想線IL1と線対称である。更に、第1磁電変換素子25aと25eは、第2仮想線IL2と線対称である。同様に第1磁電変換素子25fと25jは、第2仮想線IL2と線対称である。
上述した実施形態では、4つの第1磁電変換素子25a,25e,25f,25jと6つの第2磁電変換素子25b,25c,25d,25g、25h、25iを用いた場合を例示したが、本実施形態では、4つの第1磁電変換素子と4つの第2磁電変換素子とを用いる場合を例示する。
第2磁電変換素子125e,125fはY1方向の第2感度軸を持ち、第1磁電変換素子125g,125hはY2方向の第2感度軸を持つ。
一方、第2電流路部分CB2の周囲では第2電流路部分CB2に近づくに従って第2電流路部分CB2を流れる電流によって生じる磁気の第1磁電変換素子の感度軸(X1−X2方向)に平行な成分は大きくなる。
その結果、被測定電流路CBを流れる電流によって磁気に対しての全体として感度を高めて測定精度を高めることができる。
これにより、被測定電流路が直線の場合と、被測定電流路CBのように屈曲している場合とでの測定感度の変化を抑制できる。
一方、電流センサ201では、被測定電流路CBが直線状の場合には、第1磁電変換素子125a,125b,125c,125dと第2磁電変換素子125e,125f,125g,125hとの感度は略同じになる。
図13は、電流センサ301等と第2電流路部分CB2との間の距離Hと、磁界検知感度との関係を示す図である。図13の横軸は距離Hを示す。縦軸は、被測定電流路CBが直線の場合の磁界検知感度を100%とした場合の感度を示している。
図13に示すように、磁界検知感度は、図11及び図12に示す電流センサ301が最も変化が小さく(G11)、全ての磁電変換素子を第2面116aに配設した場合が最も変化が大きく(G13)、全ての磁電変換素子を第2面116bに配設した場合がそれらの間の変化量である(G12)。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
上述した実施形態において、磁電変換素子の数は、10個以上であれば、特に限定されない。
また、上述した実施形態では、同一特性の磁電変換素子を用いる場合を例示したが、後段の演算回路において被測定電流路CBの磁界に応じた成分を累積して有効化し、隣接する電流路の磁界に応じた成分をキャンセルすることが可能な範囲において、2個以上の特性の磁電変換素子を用いてもよい。
素子、ホール素子等であっても良い。但し、ホール素子等の場合は、GMR素子やMR素子の感度軸と異なるので、使用するホール素子の感度軸に合わせて、実装に工夫が必要である。
11…筐体
13…コネクタ
16,116…基板
16a,116a…第1面
16b,116b…第2面
16c,16d,116c,116d…先端
161,162,1161,1162…腕部
25a〜25j,125a〜125h
31…ケース
L,LL…長方形
IL1…第1仮想線
IL2…第2仮想線
L1,L2,…長辺
L3…短辺
Claims (17)
- 第1電流路部分及び当該第1電流路部分に対して曲げられた第2電流路部分を備える被測定電流路を流れる電流によって生じる磁気を利用する電流センサであって、
前記第1電流路部分を囲むように配置された複数の第1磁電変換素子と、
前記第1電流路部分を挟むように2列に配置された複数の第2磁電変換素子と、を有し、
前記第1電流路部分は、第1電流方向に電流が流れ、
前記第2電流路部分は、第2電流方向に電流が流れ、
複数の前記第1磁電変換素子は、前記第1電流路部分の中心が配置される仮想点を対称点として点対称の位置に配置され、
複数の前記第2磁電変換素子は、前記仮想点を対称点として点対称の位置に配置され、
前記第2磁電変換素子は、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向の磁界を検知し、
前記第1磁電変換素子は、前記第1電流方向と直角であって、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向と直角な方向の磁界を検知し、
前記第2電流方向において、前記第1磁電変換素子は、前記第2磁電変換素子より外側に位置し、
前記第2電流路部分に近い位置の前記第1磁電変換素子は、前記第2磁電変換素子に対して、前記第1電流方向と平行な方向において、前記第2電流路部分側に位置している
ことを特徴とする電流センサ。 - 前記第1磁電変換素子は、前記第1電流方向と直角であって、前記第2電流方向と直角な方向に対して、45°未満の方向に感度軸が向いており、
前記第2磁電変換素子は、前記第2電流方向と平行な方向に対して45°未満の方向に感度軸が向いていることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。 - 複数の前記第2磁電変換素子が形成する前記列が直線であり、前記列の方向と、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向が平行であることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 前記第1磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第1電流方向と直角であって、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向と直角な方向であり、
前記第2磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第2電流方向を前記第1電流方向に垂直な面に投影した方向であることを特徴とする請求項3に記載の電流センサ。 - 複数の前記第2磁電変換素子が形成する前記列が曲線であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電流センサ。
- 前記第1磁電変換素子及び前記第2磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第1電流路部分を流れる電流から発生する誘導磁界の向きであることを特徴とする請求項5に記載の電流センサ。
- 前記第1磁電変換素子が、前記列の端に位置していることを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の電流センサ。
- 前記第1磁電変換素子及び前記第2磁電変換素子が設けられた基板をさらに有し、
前記第2電流路部分に近い位置の前記第1磁電変換素子は、前記基板の前記第2電流路部分側の第1面に設けられており、
前記第2磁電変換素子は、前記基板の前記第2電流路部分側と反対側の第2面に設けられている
請求項1〜7のいずれかに記載の電流センサ。 - 前記第1電流路部分と前記第2電流路部分とは直角である
請求項1〜8のいずれかに記載の電流センサ。 - 第1電流路部分及び当該第1電流路部分に対して曲げられた第2電流路部分を備える被測定電流路を流れる電流によって生じる磁気を利用する電流センサであって、
基板と、
前記基板に設けられた複数の第1磁電変換素子と、
前記基板に設けられた複数の第2磁電変換素子とを備え、
前記第1電流路部分は、第1電流方向に電流が流れ、
前記第2電流路部分は、第2電流方向に電流が流れ、
前記基板は、2つの平行な腕部と、前記2つの腕部を繋ぐ根元部と有し、
全ての前記第2磁電変換素子が、前記腕部の伸びる方向に並んで2列に配置され、
全ての前記第1磁電変換素子は、複数の前記第2磁電変換素子の前記列の端に位置し、
前記第1磁電変換素子は、前記腕部の伸びる方向と直交する方向の磁界を検知し、
前記第2磁電変換素子は、前記腕部の伸びる方向の磁界を検知し、
前記第1磁電変換素子の内、前記腕部の最も先端側に設けられた2つの前記第1磁電変換素子は、前記基板の第1面に設けられており、
全ての前記第2磁電変換素子は、前記第1面と反対側の第2面に設けられている
ことを特徴とする電流センサ。 - 前記第1磁電変換素子の感度軸の方向は、前記第1電流方向と直角であって、前記第2電流方向と直角な方向であり、
前記第2磁電変換素子の感度軸の方向は、前記第2電流方向と平行な方向であることを特徴とする請求項10に記載の電流センサ。 - 前記第1磁電変換素子及び前記第2磁電変換素子の感度軸の向きは、前記第1電流路部分を流れる電流から発生する誘導磁界の向きであることを特徴とする請求項9に記載の電流センサ。
- 前記第1磁電変換素子及び前記第2磁電変換素子が設けられた基板を有し、
全ての前記第1磁電変換素子は、前記基板の第1面に設けられ、
全ての前記第2磁電変換素子は、前記基板の前記第1面と反対側の第2面に形成されている
請求項7、9〜11のいずれかに記載の電流センサ。 - 4個の前記第1磁電変換素子と、
6個以上の前記第2磁電変換素子と
を有する
請求項1〜12のいずれかに記載の電流センサ。 - 前記第1磁電変換素子と前記第2磁電変換素子の内、最も端に位置する前記第2磁電変換素子とは、基板を挟んで反対側の面の対向する位置に設けられている
請求項1〜12のいずれかに記載の電流センサ。 - 4個の前記第1磁電変換素子と、
4個の前記第2磁電変換素子と
を有する
請求項1〜12、14のいずれかに記載の電流センサ。 - 前記第1磁電変換素子は、前記被測定電流路が位置する仮想の長方形の4つの頂点に設けられており、
前記第2磁電変換素子は、前記長方形の重心を通り前記長方形の長辺と平行な仮想線に対して線対称且つ前記重心に点対称となるように前記長方形の長辺上に設けられており
前記第1磁電変換素子は前記長方形の短辺と平行な磁界を検知し、
前記第2磁電変換素子は前記長辺と平行な磁界を検知し、
前記重心を中心に点対称位置にある前記第1磁電変換素子同士の検知可能な磁界の向きは同一あるいは逆であり、
前記重心を中心に点対称位置にある前記第2磁電変換素子同士の検知可能な磁界の向きは同一あるいは逆である
請求項1、3、4、7、8、9、10、11、13、14のいずれかに記載の電流センサ。
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